物理實驗論第一章物理實驗與物理學發(fā)展全書概述本書簡述了物理實驗在物理學發(fā)展和物理教學中的地位和作用,并以中學物理實驗為例,比較系統(tǒng)地闡述了物理實驗研究的基本思想、基本方法和基本技能。全書共八章,內(nèi)容包括:物理實驗與物理學發(fā)展、物理實驗與物理教學、實驗原理、實驗方法和實驗方案、實驗裝置和實驗器材、實驗條件的選擇和實驗操作、課堂演示實驗教學策略以及數(shù)學方法的應用。

本書可作為高等師范院校本科生或研究生物理實驗教學研究課的教材或教參,也適合從事物理實驗、物理教學的大、中學物理教師閱讀。目錄二、物理實驗與物理教學三、實驗原理六、實驗條件的選擇和實驗操作四、實驗方法與實驗方案七、課堂演示實驗教學策略五、實驗裝置與實驗器材一、物理實驗與物理學發(fā)展八、數(shù)學方法的應用在實驗中人們可以充分發(fā)揮主觀能動性，控制條件、改變狀態(tài)，使自然現(xiàn)象的變化有利于得出規(guī)律性的認識；實驗結(jié)果是可以重復的，它不是純感性活動，而是包括著深刻的理性思維；觀察常是實驗的前提，實驗是觀察的發(fā)展。第一章：物理實驗與物理學發(fā)展物理（科學）實驗是人們根據(jù)研究的目的，運用科學儀器設(shè)備，人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自然過程，使之按預期的進程發(fā)展，同時在盡可能減少干擾客觀狀態(tài)的前提下進行觀測，以探究物理過程變化規(guī)律的一種科學活動。第一章：物理實驗與物理學發(fā)展第一節(jié)物理實驗在物理學發(fā)展中的地位第二節(jié)物理實驗在物理學發(fā)展中的作用萌芽時期（古代物理學時期）經(jīng)典物理學時期現(xiàn)代物理學時期第一節(jié)物理實驗在物理學發(fā)展中的地位1.1物理實驗與古代物理學的發(fā)展階段1.1古代物理：發(fā)展史阿拉伯人曾做過圓柱面、球面、錐面鏡的反射和折射實驗；古希臘人最早記錄了摩擦過的琥珀會吸引輕小物體，天然的磁石具有吸鐵的性質(zhì)；阿里斯托芬曾有過用玻璃點火熔化石蠟的記錄；歐幾里德曾有過用凹面鏡聚集太陽光試驗的記述；古巴比倫人曾用“日晷”和水鐘計時，發(fā)明了梁式天平；……1.1古希臘阿基米德（公元前287—前212）阿基米德的另一個重要貢獻是做了浮力實驗，建立了浮力定律?！敖胍后w的物體所失去的重量，就等于它排開的液體的重量?！?/p>

《論浮體》

阿基米德對杠桿進行了實驗和研究，總結(jié)出杠桿定律，即二重物平衡時所處的距離與重量成反比。他還發(fā)明了阿基米德螺旋提水器，并用滑輪做了許多實驗。這也是一個從實驗總結(jié)為理論的定量實驗。1.1古希臘托勒密（約90—168）關(guān)于光的折射的實驗裝置在一個圓盤的中心S處裝了兩把可以旋轉(zhuǎn)的尺子，將圓盤的一半豎直插入水中，轉(zhuǎn)動兩把尺子以便確定入射線和折射線的位置，從而測出入射角和折射角。1.1中國古代實驗《墨經(jīng)》中指出物體所受的浮力是因為水被物體排開的關(guān)系。晉代的《苻子》就已記載了利用水浮法稱重的實例。《宋史·方技傳》記載了利用浮力起重——打撈鐵牛的實例。力學簡單機械聲學《墨經(jīng)》中記載了墨家實驗研究杠桿原理的做法：天平橫梁的一臂加重物，另一臂必需加砝碼，兩者必須等重才能平衡；桿秤的提紐到重物的一臂比較短，提紐到秤錘一臂比較長，如果兩邊等重，秤錘一邊必下落。《莊子·雜篇》中記載了樂器制作后做過的共振實驗?！懂愒贰分性涊d了張華（232—300）改變器物的固有頻率以消除共鳴的方法。1.1電磁學實驗方面（中國）指南針的四種支懸法沈括的《夢溪筆談》記載了“以磁石磨針鋒，則能指南”的“磨擦傳磁法”，以及對“指南魚”進行了實驗改進，發(fā)現(xiàn)了指南針的四種支懸方法。1.1光學實驗方面（中國）宋末元初的趙友欽在《革象新書》中記載了對光的針孔成像和照度進行的設(shè)計巧妙的大型實驗研究。（1）光源、小孔、像屏三者距離保持不變，孔徑有大小之別，可見兩個像大小一樣，但濃淡（照度）不同。（2）利用針孔成像來模擬日月蝕，并表明針孔所成之像為倒立像。（3）改變像距，研究像的大小與照度隨像距而變化的規(guī)律，實驗得到照度隨光源的強度增加而增加，隨距離的增加而減小。（4）改變物距，實驗表明物距變大，像變小變狹，但變濃。（5）改變孔的大小和形狀，研究大孔成像與小孔成像的區(qū)別。針孔成像實驗物理實驗的特點是：①零星不系統(tǒng)；②定量實驗較少、定性實驗較多；③大多數(shù)實驗僅限于現(xiàn)象的描述或一般的解釋，沒有進行歸納而形成系統(tǒng)的理論；④沒有用實驗來檢驗已有的理論。1.1物理實驗與古代物理學的發(fā)展階段第一節(jié)物理實驗在物理學發(fā)展中的地位1.2物理實驗與經(jīng)典物理學的發(fā)展經(jīng)典物理學是在16、17世紀的文藝復興時期和科學革命中誕生的。以伽利略為代表的一大批杰出科學家，把實驗方法與物理規(guī)律的研究結(jié)合起來，對物理學的發(fā)展做出了劃時代的貢獻。1.2力學實驗方面伽利略斜面實驗和落體實驗，發(fā)現(xiàn)了運動定律和自由落體規(guī)律。瓦利斯、惠更斯和馬略特分別得出了動量守恒定律。庫侖的扭秤實驗和摩擦實驗，得到了庫侖力的平方反比定律和摩擦定律。胡克的彈性實驗，發(fā)現(xiàn)了彈性的基本定律。傅科的傅科擺實驗，驗證了關(guān)于地球自轉(zhuǎn)引起的偏轉(zhuǎn)力的理論；傅科繼續(xù)用實驗研究地球自轉(zhuǎn)的力學問題，發(fā)明了回轉(zhuǎn)儀?？ㄎ牡显S用扭秤裝置測定地球密度，得到了地球密度和引力常數(shù)。厄缶用扭秤方法研究慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的等價性。1.2力學實驗方面歷年來實驗物理學家對引力常數(shù)的測定結(jié)果

1.2熱學實驗方面布萊克和他的學生通過對量熱學實驗研究發(fā)現(xiàn)了熱容量，提出了比熱的概念，發(fā)現(xiàn)了熱量守恒定律。焦耳為熱和功的相當性提供了可靠的依據(jù)，為能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的確立奠定了牢固的實驗基礎(chǔ)。麥克斯韋提出氣體分子速度分布律后，于1860年做了著名的氣體粘滯性隨壓強改變的實驗，對速度分布律做了間接驗證。1827年布朗發(fā)現(xiàn)了布朗運動，并對它進行了長期的實驗研究。1906年愛因斯坦提出了布朗運動理論。佩蘭對布朗運動理論進行了全面的實驗驗證，證明了液體中分布微粒的乳濁液分布方程和布朗運動位移公式。1.2電磁學實驗方面庫侖定律是電磁學的基石，也是麥克斯韋方程的基石。1.2電磁學實驗方面奧斯特對電流磁效應的驚人發(fā)現(xiàn)既證實了電與磁之間相互聯(lián)系的客觀存在，又發(fā)現(xiàn)了沿垂直方向起作用的一種旋轉(zhuǎn)力。法拉第對磁產(chǎn)生電進行了多年的實驗研究，在1831年8月29日發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象。羅蘭實驗確證了電流的磁效應，它不但進一步明確了電與磁的聯(lián)系，而且促進了洛侖茲電子論的形成，奠定了電學近代理論的基礎(chǔ)。麥克斯韋的電磁場理論把電、磁和光三個領(lǐng)域綜合在一起，預言了電磁波的存在，預見了光也是一種電磁波，具有劃時代的意義。1.2光學實驗方面

光速的測量：斐索用旋轉(zhuǎn)齒輪法測得c=3.153×108m/s傅科用旋轉(zhuǎn)鏡法測得c=2.98×108m/s考爾紐1874年改進了斐索的旋轉(zhuǎn)齒輪法，測得c=2.9999×108m/s邁克爾孫1878年測得c=3.00140×108m/s1923年邁克爾孫主持了大規(guī)模的實驗，直至1927年他先后進行了5次實驗，結(jié)果驚人一致，測得c=（2.99796±0.00O04）×108m/s1.2伽利略物理研究方法實驗發(fā)現(xiàn)：一個從靜止開始下落的物體在相等的時間間隔經(jīng)過的各段距離之比等于從1開始的一系列奇數(shù)之比，即為1∶3∶5∶7?從而證實了落體所經(jīng)過的各種距離總是同所用時間的平方成正比例。斜面實驗為了把斜面實驗的結(jié)論推廣到豎直情況下的自由落體運動，伽利略提出了等末速度假設(shè)：擺的升高實驗即靜止物體不論是沿豎直方向還是沿不同斜面的同一高度下落，到達末端時具有相同的速度，也就是說，物體在下落中所得到的速度只由下落的高度決定，而與斜面的傾斜程度無關(guān)。用一個單擺實驗驗證了這個假設(shè)，得出了自由落體做勻加速運動該結(jié)論。1.2實驗研究方法和實驗科學思想（1）把實驗與數(shù)學結(jié)合起來，既注意邏輯推理，又依靠實驗檢驗，構(gòu)成了一套完整的科學研究方法。（2）有意識地在實驗中拋開一些次要因素，創(chuàng)造理想化的物理條件。既要力求使實驗條件盡可能符合數(shù)學要求，以便獲得超越這一實驗本身的特殊條件的認識，又要設(shè)法改變實驗測量的條件，使之易于測量。（3）用實驗去驗證理論。伽利略認為科學實驗是為了證明理論概念（或觀察規(guī)律）而去做的，不應該是盲目的、無計劃的；而理論（數(shù)學）又必須服從實驗判決。（4）把實驗與理論聯(lián)系起來。如把各物理量之間的關(guān)系用數(shù)學表達式聯(lián)系起來，使實驗結(jié)果上升到普遍的理論高度。1.3物理實驗與現(xiàn)代物理學的發(fā)展階段第一節(jié)物理實驗在物理學發(fā)展中的地位世紀之交物理學的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線、放射性現(xiàn)象這些發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典物理的理論產(chǎn)生了尖銳的矛盾，從而引起了物理學的革命，導致了現(xiàn)代物理的誕生。1.3現(xiàn)代物理發(fā)展中的實驗1879年霍爾在研究載流導體在磁場中受力的性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了電流通過金屬在磁場作用下產(chǎn)生橫向電動勢的霍爾效應。1896年塞曼發(fā)現(xiàn)的塞曼效應進一步涉及光的輻射機理，被譽為繼X射線之后物理學最重要的發(fā)現(xiàn)之一。1897年湯姆遜于測定了陰極射線的荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)陰極射線是由比氫原子小得多的帶電粒子所組成?！?909年密立根獨創(chuàng)了著名的油滴實驗，測得了基本電荷e，1917年測得的e的精確值為：e=（4.770±0.005）×10-101.3現(xiàn)代物理發(fā)展中的實驗

J．夫蘭克和赫茲在1914年進行了著名的夫蘭克—赫茲實驗（用慢電子與稀薄氣體的原子碰撞的方法，測量原子的激發(fā)電位和電離電位），簡單而巧妙地直接證實了原子能級的存在。1962年約瑟夫森從理論上對超導電子對的隧道效應做了預言，不久就被實驗證實。這一效應不僅對超導電性的本質(zhì)有了一步的認識，而且基于這一效應制成了各種實用的超導器件，由此形成了一門新的學科——超導電子學。1912年勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線晶體衍射的現(xiàn)象。這是現(xiàn)代物理學發(fā)展中的一個重要里程碑。1.3現(xiàn)代物理發(fā)展趨勢（1）實驗與物理理論越來越緊密地結(jié)合，物理實驗更加需要理論（包括實驗理論）的指導，在理論的預測和條件范圍內(nèi)去進行，而不是盲目地瞎碰。（2）實驗需要更先進的技術(shù)和儀器設(shè)備。常規(guī)的儀器設(shè)備和簡單的方法已不能滿足當前探索物理世界的需要和儀器設(shè)備。（3）物理實驗方法與其他學科的結(jié)合和向其他學科滲透，使得新的實驗方法和技術(shù)更快地在應用領(lǐng)域得到推廣使用。（4）當代前沿的物理實驗越來越成為大規(guī)模的、集體的、綜合的工程，需要各方面的科學家和工程技術(shù)人員共同合作完成。（5）建立和利用空間實驗室，充分利用太空高真空、無污染、失重等許多天然有利條件?，F(xiàn)代物理實驗乃至當前物理實驗方法和發(fā)展特點和趨勢如下：現(xiàn)代物理從實驗發(fā)現(xiàn)開始，并在實驗中發(fā)展。第二節(jié)物理實驗在物理學發(fā)展中的作用

從物理學發(fā)展的歷史看：物理實驗是物理學理論的基礎(chǔ)，也是物理學發(fā)展的基本動力。一、發(fā)現(xiàn)新事物和探索新規(guī)律二、驗證理論三、測定常數(shù)四、推廣應用物理實驗在物理學發(fā)展中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：2.1發(fā)現(xiàn)新事物和探索新規(guī)律電學方面光學方面經(jīng)典物理發(fā)展伽俐略的斜面實驗、胡克的彈性實驗、玻意耳的空氣壓縮實驗等，都為經(jīng)典力學提供了實驗事實，并建立了新規(guī)律。庫侖定律、歐姆定律、法拉第電解定律和電磁感應定律等的建立，無一不是在大量的實驗中做出來的。光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象也都是首先在實驗中發(fā)現(xiàn)。在19世紀和20世紀之交，正是X射線、放射性和電子等的發(fā)現(xiàn)，打破了沉悶的空氣，揭示了經(jīng)典物理的不足，從而開拓了新的領(lǐng)域，誕生了現(xiàn)代物理學。這一切都說明了實驗是物理學的基礎(chǔ)。2.2驗證理論麥克斯韋的電磁場理論只有當他預言的電磁波被赫茲的實驗證實后才真正成為電磁理論的基礎(chǔ)；愛因斯坦的光電子假設(shè)直到1916年被密立根的嚴密的光電效應實驗證實后，光的波粒二象性才為人們接受；德布羅意的物質(zhì)波假說也是在發(fā)現(xiàn)電子衍射后得到肯定的。理論是物理學的核心。理論是否正確必須經(jīng)受實驗的檢驗。實驗是檢驗理論的重要手段。理論和實驗之間是相輔相成的辯證關(guān)系。沒有實驗，理論是空洞的；沒有理論，實驗是盲目的。2.3測定常數(shù)一類是物質(zhì)常數(shù)：比如比熱、電阻率、折射率等，這些常數(shù)在一定條件下會隨某一因素而改變。物理學中的常數(shù)另一類是基本常數(shù)：它是物理學中的普適常